GPSKLOBUCHAR模型改正精度異常現象分析

魯強

摘要：對于GNSS單頻用戶而言，廣播電離層模型是電離層的延遲改正的主要方法。 目前，用于全球的廣播電離層模型有GPSK8模型、BDSSH模型、和NeQuick2模型。本文對GPSK8模型在17年5月份北半球中緯區域分析時，發現在個別測站上出現改正精度較差的異常現象。作為比對模型，還一同分析了NeQuick2模型和BDSSH模型。對出現的異常現象展開研究和分析，其結果表明模型改正精度出現異常的原因是測站的實測基準存在異常所致。

Abstract： For GNSS single-frequency users， the broadcast ionosphere model is the main method for the delayed correction of ionosphere. Currently， the global broadcast ionosphere model has GPSK8 model， BDSSH model， and NeQuick2 model. In this paper， the model of GPSK8 was analyzed in the northern latitudes of the northern hemisphere in May 17， and it was found that the abnormality of correction accuracy was found on individual stations. As a comparison model， NeQuick2 model and BDSSH model are analyzed together. The results of the study and analysis of abnormal phenomena show that the anomaly of the accuracy of the model correction is caused by the anomaly of the measured datum of the station.

關鍵詞：GPSK8模型；BDSSH模型；異常現象分析；實測VTEC

Key words： GPSK8 model；BDSSH model；abnormal analysis；The measured VTEC

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0146-05

0 引言

隨著GNSS定位技術的發展，電離層延遲誤差成為影響GNSS定位的主要誤差源之一[1]。國內外學者對此有著深入的研究，其結果表明在太陽活動的平靜期，電離層延遲引起的天頂方向測距誤差一般在5～15m，在太陽活動高峰期影響可達上百米[2，3]。對于雙頻接收機，可以通過雙頻消電離層組合消除電離層一階項；但對于單頻接收機而言，主要是通過電離層模型進行改正，目前常用的廣播電離層模型有GPSK8、BDSK8、BDSSH9、NeQuick2模型等。

常見的幾種廣播電離層模型都是實時播發電離層參數給用戶進行延遲改正，但這幾種模型在參數的播發上各異。GPSK8模型通過電文播發K8參數用于修正電離層時延誤差。新一代北斗全球廣播電離層模型-BDSSH模型主要根據衛星位置、用戶概略位置、導航電文播發的電離層參數及固化于用戶接收機的非播發電離層參數即可幫助單頻用戶計算電離層延遲改正。NeQuick模型是一種半經驗模型，通過電文播發三個電離層矯正參數進行電離層延遲改正。

本文對GPSK8模型在北半球中緯區域17年5月性能分析時發現DUBO測站在改正精度上連續6天出現異常現象，對出現的異常現象從實測基準VTEC信息和測站在非異常期的比對展開分析，并得到相應的結論。

1 GNSS廣播電離層模型

1.1 GPSK8模型

GPS廣播電離層模型采用的是KLOBUCHAR模型，該模型是利用三角余弦函數建立的電離層模型，白天在地方時14時左右出現峰值，晚上的時延為常數，5ns。在對參數的設置考慮了電離層周日變化的振幅和相位變化，能較好的表征電離層時間延遲的特性。

GPSK8模型播發的8個參數是基于地磁坐標系。利用全球GNSS雙頻觀測數據解算得到的，該參數每天更新一組，通過廣播星歷播發給用戶。該模型模型的優點在于模型公式簡單，并且計算效率高。GPSK8模型計算電離層延遲的步驟詳見參考文獻[4，5，6]。

1.2 NeQuick模型

NeQuick模型是一種描述電離層電子密度時空變化的半經驗模型，其特點是把電離層分層，通過模型自帶的數據文件，可計算特定時間空間任意一點的電子密度，對電子密度積分得到任意傳播路徑上的總電子含量，進而得到電離層時延誤差。

由于是半經驗模型，NeQuick模型也在不斷同步更新，在最初的NeQuick1后，對模型的一些參數計算進行了優化之后，繼而得到目前使用的NeQuick2模型，有關NeQuick1和NeQuick2模型的具體算法詳見參考文獻[7，9，10]。

1.3 BDSSH模型

新一代北斗衛星導航系統，將提供給單頻用戶全新的北斗廣播電離層時延修正模型-BDSSH模型，李子申在2012年首先提出該模型，驗證了模型的可靠性。

BDSSH模型通過導航電文播發的電離層參數及固化于用戶接收機的非播發電離層參數即可幫助單頻用戶計算信號傳播方向的電離層延遲改正值。其模型計算電離層延遲的基本步驟可參考文獻[8]。

1.4 統計方法

我們在利用測站的實測數據和廣播電離層參數來評估不同廣播電離層模型的精度時，采用改正率P和均方根誤差RMS作為評估模型精度的指標，其計算公式如下：endprint

P=∑■■（1-■）（1）

RMS=■ （2）

式中，VTEC評估為廣播電離層延遲改正模型得到的VTEC，VTEC基準為參考基準，在模型統計時，對所有模型采用了相同的強約束來對模型進行優化（具體指：一是在統計時略去測站白天或晚上改正率低于30%的情況，二是略去改正精度大于17個TECU的情況）。

2 案例分析

2.1 異常現象分析

2.1.1 GPSK8模型在北半球中緯區域的解算

分析GPSK8模型在北半球中緯區域的模型性能時，選取北半球中緯區域15個IGS測站2017年5月份的觀測數據進行分析。所選測站為：ALBH、AMC2、BSHM、CHUR、DUBO、FLIN、NOVM、QUIN、SCH2、SHAO、URUM、USUD、VILL、ZECK、UNBJ其測站分布如圖1所示。

15個測站在5月份的模型改正精度如表1所示。

由表1可知，除了DUBO站外，其它站在改正精度上均無異常現象，顯示了GPSK8模型在北半球中緯區域良好的改正性能。參考文獻[12]中提到了GPSK8模型在全球范圍內最適用的區域是在北半球中緯區域。與本文的結論相符。

2.1.2 異常期與非異常的比較

針對上述分析中出現的DUBO測站改正精度出現的異常情況，我們在對DUBO站GPSK8模型分析時發現測站連續6天（124-129）出現改改正精度大于17個TECU，超過統計時所規定的強約束條件（17個TECU）。我們對此異常現象展開研究，分析出現異常的原因。對GPSK8模型分析時，還同比對了NeQuick2模型和BDSSH9模型。三種廣播電離層模型在124-129天的VTEC信息如圖2所示。

給出改正精度的同時，還畫出了GPSK8模型在次時間段的改正率，其改正率如圖3所示。

從圖2和圖3中我們可以看出GPSK8模型在改正精度異常時和另外兩種模型比較時并未表現出明顯的差異性。為此，我們選取了改正率和改正精度均無差異的153-155天模型VTEC信息與其比較。看GPSK8模型在異常期和非異常期模型VTEC信息有無明顯差異，153-155三天的改正率和改正精度如表2所示。

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在分析153-155三天無異常期GPSK8模型改正精度時，還一同比對了BDSSH9模型和NeQuick2模型，三種模型的結果如圖4所示。

從異常期和非異常期的比對試驗中我們可以看出：

①無論是在非異常期還是在異常期，GPSK8模型的變化趨勢相似，都在地方時14時左右出現峰值現象。

②在異常期與非異常期的比對中發現GPSK8模型的廣播電離層VTEC信息并未出現較大的差異。而BDSSH9模型和NeQuick2模型在異常期和非異常期均保持的良好的穩定性。

③較之前GPSK8模型改正率出現異常，其模型VTEC信息與非異常有較大變化相比；GPSK8模型在改正精度出現異常時，其模型VTEC信息并無較大的變化。

2.2 測站的實測VTEC信息

在上述試驗中，GPSK8模型在改正精度出現異常時，其廣播電離層模型的VTEC信息無明顯變化。針對上述實驗中存在的問題，就需要對異常現象展開進一步的分析。由于模型解算的基準都是測站的實測數據。因此，有必要對測站的基準信息展開研究和分析，由于實測信息在某一時段存在多顆衛星的情況，并不能很好的表征測站在某一時刻的變化情況，針對這一問題，在分析時以單顆衛星為例展開分析，本文選取19號衛星，19號衛星在每天開始的兩個小時時段有VTEC信息。DUBO測站124-129天19號衛星VTEC信息如圖5所示。

為了比對異常期和非異常期的基準信息，還一同畫出了測站153-155三天的實測VTEC，仍以19號衛星為例展開分析，其實測VTEC信息如圖6所示。

153-155三天的實測信息中由于19號衛星只在00：05-00：45時間段有實測VTEC信息，因此，在比對時選取相同時間段內段的實測信息。其差值信息如表3所示。

■

通過異常期與非異常期實測信息的比對我們可以看出：

①在單顆衛星同時段的比對中，無異常期的VTEC變化量明顯小于異常期的變化量。說明在無異常現象期間，單顆衛星的實測信息更為穩定。

②在實測信息中，同一時刻的比較中，異常期的實測VTEC值遠大于非異常期的VTEC值。說明在異常期間，測站的實測信息存在異常現象。

上述實驗中通過異常期與非異常期的基準信息比對我們可以看出在異常期的基準信息存在異常，為了進一步驗證測站所在的局部區域是否有異常現象，為此，我們選取了和DUBO測站相鄰的FLIN測站進行比對。對于FLIN測站，我們同樣選取124-127天進行比對。在比對中仍以G19號衛星為例，其實測基準VTEC如圖7所示。

從兩個測站的實測基準信息比較中我們可以看出：

①在單顆衛星的比較中DUOB測站的VTEC的變化量明顯高于FLIN測站。進一步表明DUBO測站的實測信息出現異常現象。也就表征了測站的觀測數據存在異常現象。

②與DUBO測站相鄰的FLIN測站并未出現模型異常現象，說明在此小區域不存在電離層模型異常現象。從而反映出DUBO測站模型改正精度異常是由于測站本身的觀測數據所引起的異常。

3 總結

對GPSK8模型的精度進行統計，對模型解算中出現改正精度異常情況展開研究和分析，可以得到以下結論：

①三種廣播電離層模型在異常期的VTEC信息我們可以看出，模型的VTEC變化趨勢相似。都在地方時14時左右出現峰值現象。

②在改正精度出現異常時，GPSK8模型的VTEC信息并未表現出較大的差異。

③單顆衛星在異常期和非異常期實測信息比對中我們可以明顯的看出，DUBO測站的實測基準信息存在異常現象。

④與相鄰測站的比對中FLIN測站無異常現象，說明在這個區域不存在電離層模型異常現象。表明GPSK8模型在DUBO測站解算時改正精度出現異常情況是由測站本身的觀測數據存在異常引起的。

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